Verbesserung der Gassensoreigenschaften von WOx-CeOy-Heterostrukturen durch gezieltes Ober- und Grenzflächenengineering

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Ingo Flege
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544815996

Im Projekt soll ein Modell zur Beschreibung der Mechanismen, die die Eigenschaften von Sensoren insbesondere in Hybridstrukturen bestimmen, entwickelt werden. Als Modellsystem dient dabei eine WOx-CeOy-Heterostruktur, wobei das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung der Grenzfläche zwischen den zwei Sensormaterialien und ihres Einflusses auf die Reaktionsmechanismen bei Gasexposition liegt. Dazu werden eingehende und komplementäre in-situ- und operando-Studien durchgeführt, die ein Alleinstellungsmerkmal des Projekts darstellen. Erstaunlicherweise sind derartige Hybridsensoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit noch nicht eingehend untersucht worden. Ein weiteres wesentliches Ziel des Projekts ist die Aufklärung des Einflusses einer gezielt eingestellten Morphologie der aktiven Sensorfläche auf den Gasdetektionsprozess, insbesondere auf die Diffusion der Gasmoleküle, die mit dem Sensormaterial reagieren. Die Untersuchung und Optimierung der Grenzflächen von Hybridstrukturen werden eine präzise Anpassung des Ansprechverhaltens und der Selektivität der Gassensoren ermöglichen, die weit über die Möglichkeiten von Sensoren hinausgeht, die auf einzelnen Metalloxidschichten basieren, und damit die Leistungsfähigkeit von Gassensoren erheblich verbessern. Mit dem Magnetronsputtern und der Atomlagenabscheidung (ALD) werden zwei unterschiedliche, aber miteinander kompatible Technologien zur Dünnschichtabscheidung von Oxidmaterialien angewendet. Diese Kombination ermöglicht die geschlossene und konforme Bedeckung der unteren WOx-Schicht und die Bildung einer WOx-CeOy-Heterostruktur (vom n-n-Typ) für Sensoranwendungen. Ein dabei wesentliches Instrument zur Grenzflächenoptimierung ist die operando-Kontrolle der ALD ultradünner CeOy-Schichten mittels spektroskopischer Ellipsometrie, optischer Reflexionsmikroskopie und Massenspektrometrie. Außerdem werden mit spektroskopischen in-situ-Techniken (insbesondere Röntgenphotoelektronenspektroskopie bei nahezu ambienten Drücken, NAP-XPS) die komplexe Wechselwirkung der Sensoroberfläche mit ausgewählten Gasen (Wasserstoff, Ammoniak, Aceton, Kohlendioxid) untersucht, wodurch ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen erarbeitet wird. Bisherige gemeinsame Studien beider Projektpartner (BTU und WUST) haben bereits eine signifikante Änderung des elektrischen Widerstands von modifizierten CeOy-Schichten um mehrere Größenordnungen bei einer Betriebstemperatur von nur 150°C für Wasserstoff, einem bedeutendem Energieträger in einer zukünftigen, auf erneuerbaren Energien aufbauenden Gesellschaft, gezeigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Jaroslaw Krzysztof Domaradzki